Dual-wavelength laser based on saturable absorber and 3 dB ring mirror filter structure
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摘要:
为了提高双波长环形腔激光器的激光输出质量, 将掺铒光纤可饱和吸收体加入3 dB环镜, 构成滤波环, 采用滤波环与输出端耦合器级联实现激光器输出滤波, 并进行了理论分析和实验验证。结果表明, 波长为1554 nm和1562 nm的激光输出带宽分别为0.029 nm和0.038 nm, 双波长峰值波动分别为0.0048 mW和0.0087 mW, 信噪比为55 dB。此基于可饱和吸收体和3 dB环镜滤波器结构的双波长激光器具有更好的线宽压窄特性和稳定性, 可应用于大容量通信和激光治疗等领域。
Abstract:In order to improve the laser output quality of a dual-wavelength annular cavity laser, a saturable absorber of erbium-doped fiber was added to the 3 dB ring mirror to form a filter ring, and the filter ring and the output coupler were cascaded to realize the laser output filtering. Theoretical analysis and experimental verification were carried out. The results show that the laser output bandwidth of 1554 nm and 1562 nm wavelengths are 0.029 nm and 0.038 nm, the peak fluctuations of dual wavelengths are 0.0048 mW and 0.0087 mW, and the signal-to-noise ratio is 55 dB, respectively. The results show that the dual-wavelength laser based on the saturable absorber and 3 dB ring mirror filter structure has better linewidth narrowing characteristics and stability. It can be used in the field of high capacity communication and laser therapy.
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Keywords:
- lasers /
- annular cavity /
- dual wavelength /
- saturable absorber /
- narrow linewidth
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0. 引言
利用环形腔实现窄线宽激光输出得到了广泛的关注。目前，特殊滤波器法[1]、复合腔法[2]和可饱和吸收法[3]被用于环形腔的线宽压窄。例如，2013年，FENG等人通过使用啁啾莫尔光纤布喇格光栅(chirped Moire’ fiber Bragg grating, CMFBG) 与3 m长未受抽运的掺铒光纤相结合为滤波器，其中铒纤作为可饱和吸收体，该结构实现了稳定的激光输出[4]。2016年，LI等人提出一种级联微光纤结滤波器(cascaded microfiber knots filter, CMKF)，通过使用两个微纤维结谐振器(microfiber knot resonator, MKR)构成CMKF，并基于该滤波器设计了单纵模(single longitudinal mode, SLM)窄线宽光纤环形激光器[5]。同年，YEH等人设计了一种“眼型”三环方案的复合腔窄线宽掺铒光纤(erbium-doped fiber, EDF)激光器，其输出稳定、波长可调[6]。2017年，LI等人使用光纤布喇格光栅(FBG)作为滤波器，提出了一种基于无线单模光纤结构的窄线宽光纤环形激光器[7]; 同年，LU等人提出了一种全纤维的复合环结构，该复合环由高性能环状滤波器(high-finesse ring filter, HFRF)、环镜滤波器(loop mirror filter, LMF)和光纤可调谐滤波器(fiber optical tunable filter, FOTF)组成，并以此设计了一种高稳定性波长可调谐的单频掺镱全纤维复合环窄线宽激光器[8]; WAN等人提出了一种锥形耦合双微球腔(double-microsphere-cavity, DMC)结构，通过DMC实现了单纵模工作的光纤环窄线宽激光器[9]; 而LIU等人利用DMC设计了一种在0.01 nm的窄带宽下稳定其单纵模工作的新型光纤环形激光器[10]。2018年，SUN等人提出了一种偏振相关的梳状滤波器，该滤波器采用光纤偏振器与保偏光纤相结合，基于此设计了一种稳定的、可调谐的线偏振单纵模光纤环形激光器[11]。2020年，WAN等人提出并演示了一种基于MKR的可调谐SLM掺铒光纤窄线宽激光器[12]; 同年，WANG等人提出了一种三环无源谐振器(triple-ring passive subring resonator, TR-PSR)作为滤波器, 并以此设计了高稳定性的窄线宽掺铒光纤激光器[13]。2021年，YEH等人展示了一种稳定的基于瑞利散射(Rayleigh scattering, RS)的掺铒光纤多环激光器[14]。
以上具有优良滤波特性的激光器一般对实验装置要求较高或结构复杂难以实现，本文作者设计了一种可饱和吸收体3 dB环镜滤波器结构(saturable absorber fiber loop mirror, SAFLM)，该滤波器由2个50∶50的耦合器和6 m掺铒光纤可饱和吸收体(erbium-doped fiber saturable absorber, EDF-SA)构成，具有结构简单、稳定性强的特点，通过该结构实现了双波长窄线宽激光输出，可有效抑制边摸。
1. 实验原理
1.1 基于SAFLM的滤波环
可饱和吸收体是可以确定损耗量的光学元件，当输入可饱和吸收体的光强度大于其阈值强度时，光学损失相对较小，因此, 透过率就相对较大。在具有吸收掺杂离子的介质中，当强度足够高的光导致掺杂离子的基态大量跃迁至激发态时，发生非线性的吸收现象[15]。
对SAFLM的滤波环进行分析，如图 1所示。耦合器(optical coupler, OC)OC1和OC2的耦合比为γ，耦合器的损耗分别为α1和α2，未受抽运掺铒光纤可饱和吸收体长度为l，对应的损耗为α，则可得到各端口光场振幅间关系[16-17]：
[E3E4]=√1−α1[√1−γi√γi√γ√1−γ][E1E2] (1) [E7E8]=√1−α2[√1−γi√γi√γ√1−γ][E5E6] (2) 式中：E1为输入光场振幅; 经过OC1分光后入射光振幅被分为E3和E4两部分，E3返回环形腔用于产生激光振荡，E4进入基于可饱和吸收体的3 dB环镜中进行滤波; E5为OC1输入OC2的光场振幅; 经过OC2分光后, E5被分为E7和E8两部分，这两部分光经过可饱和吸收体后由OC2分光，其中一部分以光振幅为E6输出，另一部分返回OC1，经OC1分光后以光振幅为E2输出，E2是E1经过2次OC1、2次OC2分光与1次EDF-SA吸收后的结果，其值受OC1和OC2的耦合比及EDF-SA长度的影响。
由于耦合器OC1和OC2仅由一段0.1 m的光纤连接，可以近似为：
E5≈E4 (3) 考虑到经过掺铒光纤可饱和吸收体传输产生相位延迟，E8可表示为：
E8=√1−αE7exp(−i2πnνlc) (4) 式中：n为光折射率; c为光速; ν为激光的频率。最终可以得到入射端口光强与出射端口光强比为：
Iin Iout =|E12||E22|+|E62|=1C1×4γ2(1−γ)2+C2×γ2(1−2γ)2 (5) 式中: Iin和Iout分别为入射端口的光强和出射端口的光强; C1和C2为经过OC后损耗及EDF-SA延迟的总损耗平方，其值分别为：
C1=(1−α2)2(1−α1)2(1−α)exp(4π2n2ν2l2c2) (6) C2=(1−α2)2(1−α)(1−α1) (7) 通过计算得出: 当C1和C2(C1≪C2)确定，耦合比γ=0.5时，入射光光强与出射光光强的比值较小，有利于激光振荡。
由于高反射率的FBG反射谱内存在很多纵模，这些纵模会随着信号光在环形腔内循从而影响输出激光的线宽[18]，加入SAFLM滤波环可以有效抑制输出端噪声功率，减少纵模数量从而达到窄线宽激光输出。
经过EDF的荧光谱E1进入SAFLM滤波环，经过OptiSystem软件仿真，输入光E1的光谱图如图 2a所示，经过该滤波环后的光沿输入方向返回。E6的光谱如图 2b所示，谱线高度降低。输出端E2的光谱如图 2c所示，自发荧光谱被大幅度降低，噪声功率大幅度降低，若此时有信号光输出，则E2的激光噪声功率最小、光束质量最佳。
1.2 实验结构速率方程
采用掺铒光纤环形腔激光器速率方程对本文作者设计的实验结构进行分析，与常见结构不同的是：本文中的实验结构通过SAFLM输出，其中SAFLM结构存在两个耦合比为50∶50的OC，进入SAFLM滤波的激光需要经过4次耦合器分光后输出，输出功率为Pout=γ4Ps(L)。Ps(z)为腔内信号光经过长度为z的EDF后的功率，z取值从0~L，L为选用的EDF的长度。
974 nm抽运EDF基本模型是三能级系统，由于其中激发态能级的粒子寿命短，激发态下能级为亚稳态，因此可以将该系统视为1个准二能级系统[19]。在理论分析中不考虑光纤存在的能量损失，并且假定EDF中的铒离子是均匀分布。
图 3为经过简化的实验结构图。图中, Pin, p(0)为输入的抽运光功率，CIR为环形器(circulator, CIR)，Ps, 1′(L)和Ps, 2′(L)为经过SAFLM后的信号光1功率和信号光2功率，Pout, 1为信号光1的输出功率，Pout, 2为信号光2的输出功率。损耗主要来自于腔内损耗和耦合器损耗。
激光器内谐振腔的总损耗分别为[19]：
{Γs,1=Ps,1(L)Ps,1(0)Γs,2=Ps,2(L)Ps,2(0) (8) 式中：Γs, 1和Γs, 2分别为波长λ1和λ2的信号光的腔内总损耗；Ps, 1(L)和Ps, 2(L)是λ1和λ2信号光经过长度为L的掺铒光纤后的功率；Ps, 1(0)和Ps, 2(0)是λ1和λ2信号光未经过掺铒光纤时的功率。
当激光器实现稳定工作时，满足双波长激光的增益等于损耗，即有[20]：
{Gth,1=Γs,1Gth,2=Γs,2 (9) 式中: Gth, 1和Gth, 2为λ1和λ2信号光的阈值增益。当增益高于阈值时，λ1和λ2信号光同时稳定输出，此时激光的功率解析式为：
Pout =γ4Ps(L)=γ4[Q1−Pin,p(0)Q2]Q3 (10) 式中: Pout为输出激光的功率; Q1、Q2、Q3为解析式的系数[19]：
Q1=[Γs,1σe,s,1P0,1(λ1)νpν2τ+Γs,2σe,s,2P0,2(λ2)νpν1τ−hAνpν1ν2](Gth,1+Γs,1σa,s,1N0L)Γs,1(σa,s,1+σe,s,1) (11) Q2=ν1ν2τ{exp[Γp(σa,p+σe,p)(Gth,1+Γpσa,s,1N0L)Γs,1(σa,s,1+σe,s,1)−Γpσa,pN0L]−1} (12) Q3=νpν1τ[1−R2(λ2)exp(−Γs,2)]+νpν2[1−R1(λ1)exp(−Γs,1)] (13) 式中：λ1和λ2为双波长激光的中心波长；v1和v2为双波长激光的中心频率；νp为974 nm的抽运光频率；σa, p和σe, p为抽运光的吸收截面和发射截面；Γp为抽运光的腔内总损耗；R1(λ1)和R2(λ2)分别为位于环形器2端口波长为λ1和λ2的布喇格光栅的反射率；N0为EDF中Er3+离子掺杂浓度；σe, s, 1和σe, s, 2分别为λ1和λ2信号光的发射截面；σa, s, 1和σa, s, 2为吸收截面；P0, 1(λ1)和P0, 2(λ2)分别为上能级粒子数的自发辐射对λ1和λ2激光功率的影响；h为普朗克常数；τ为上能级粒子数寿命；A为纤芯面积。
1.3 偏振控制器
光纤环型偏振控制器(polarization controller, PC)的工作原理是: 旋转光纤偏振片使缠绕的光纤曲率增大从而达到双折射效应。因此在PC上的总延迟与缠绕在上面的光纤有关，光纤长度越长、弯曲程度越大，总延迟越大。如图 4所示，若激光波长用λ表示，PC由2个λ/4光纤延时环和1个中心的λ/2光纤延时环组成，光纤延时环可以任意旋转。图中, θ1、θ2和θ3表示与水平的夹角可以在0°~180°之间任意改变，当偏振光被传送时，通过3个延时环的旋转轴传送所需的偏振光。
2. 实验结构设计
2.1 基于SAFLM滤波环的激光器设计
本文中设计的双波长掺铒光纤环形腔激光器按主要作用可划分为4个部分，如图 5所示。第一部分用于对EDF进行抽运产生受激辐射光，其由974 nm的抽运光源和波分复用器(wavelength division multiple-xer, WDM)组成；第二部分是波长选择部分，光纤环形器与光栅实现对1554 nm和1562 nm波长的光选择; 第三部分为腔内滤波部分，在环形腔内通过光耦合器OC1直接加入一段5.5 m长的掺铒光纤可饱和吸收体以实现滤波效果；第四部分是激光输出滤波部分，该部分由两个耦合比为50∶50的2×2耦合器OC2和OC3构成的SAFLM输出激光。通过调节腔内PC实现双波长激光平稳输出，可检测OC3一端进行光谱分析。
实验中PC实现对双波长激光损耗控制，环形腔内行波为未经输出滤波的1554 nm和1562 nm波长激光，在主腔中加入PC调节双波长行波的偏振损耗，减少不同波长间的模式竞争，提高激光稳定性。
图 6a是对OC1中EDF-SA长度与信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)关系的仿真结果图，当EDF-SA长度为5.5 m时, 输出激光SNR最高。图 6b所示的是仿真实验中SAMLF内EDF-SA长度对激光输出SNR的影响，随着EDF-SA长度不断增加，输出的双波长激光的SNR呈现递减趋势，同时激光线宽随EDF-SA长度增加也呈现递减趋势，当EDF-SA长度为6 m时，激光线宽不再随长度增加而压窄。结合SNR与线宽的曲线分析得到3 dB环镜内最佳EDF-SA长度为6 m。
![图 6 仿真结果图]()
图 6 仿真结果图a—由OC直接加入EDF-SA的长度对SNR的影响 b—SALMF中EDF-SA长度对SNR及线宽的影响Figure 6. Simulation resultsa—influence of EDF-SA length directly added by OC on SNR b—influence of EDF-SA length on SNR and line width in SALMF2.2 对照实验激光器设计
为了与图 5所示的实验结构图进行对照实验，设计了图 7所示的对照实验结构图。首先，不加入虚线框所表示的滤波元件部分，得到对照组1，即无辅腔实验结构; 在无辅腔的基础上，在腔内加入由OC直接连接掺铒光纤构成的掺铒光纤可饱和吸收体环，得到对照组2, 即掺铒光纤可饱和吸收体环滤波的实验结构; 在无辅腔的基础上，在输出端使用SAFLM进行滤波，得到对照组3，即铒光纤可饱和吸收体和3 dB环镜相结合滤波的实验结构。
3. 实验结果及分析
3.1 线宽分析
使用974 nm光源抽运6 m的增益光纤直接作为增益介质，由光纤环形器的端口2连接FBG可产生激光输出。按照图 7所示搭建3组对照实验结构，并测量输出激光光谱，如图 8a所示。实线为无辅腔时的激光输出光谱图(对照组1)，激光线宽为0.141 nm(1554 nm波长)和0.142 nm(1562 nm波长)；虚线为环形腔中通过OC直接加入EDF-SA的激光输出光谱图(对照组2)，双波长线宽为0.058 nm。
![图 8 不同实验结构输出光谱对比图]()
图 8 不同实验结构输出光谱对比图Figure 8. Comparison of the output spectra of different experimental structures为了对比SAFLM滤波环对线宽压窄的效果，移除OC1构成的环，图 8b所示是只加入SAFLM时的激光输出光谱图(对照组3)，激光线宽为0.038 nm(1554 nm波长)和0.043 nm(1562 nm波长)。同时加入EDF-SA环与SAFLM滤波环时噪声进一步得到抑制，按图 5所示搭建实验系统并测量输出激光光谱，线宽变窄至0.029 nm(1554 nm波长)和0.038 nm(1562 nm波长)，如图 8b虚线所示。
为了直观对比，将图 8b的双波长激光在2 nm范围内放大进行观测，见图 8c和图 8d。同时加入EDF-SA环与SAFLM滤波环时的激光能量较仅加入SAFLM滤波环时更加集中。
根据图 8a和图 8b可以得到对应情况下的SNR，对比分析不同情况下的线宽与SNR的关系，如表 1所示。可见SAFLM对线宽的压窄效果更加明显，其中信噪比有少量下降是由于该结构在降低噪声功率的同时信号光功率也有部分损失。
表 1 各组实验的SNR与线宽数据Table 1. SNR and linewidth data of each groupwithout auxiliary cavity
(control group 1)with EDF-SA loop
(control group 2)with SALFM
(control group 3)with SALFM and EDF-SA loop
(experimental group)1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm SNR/dB 60 60 62 61 57 58 55 55 line width/nm 0.141 0.142 0.58 0.58 0.38 0.43 0.29 0.38 3.2 稳定性分析
保持激光器工作状态的情况下每隔10 min测量1次光谱，记录10次。图 9a为通过OC直接加入EDF-SA情况下100 min内的双峰波动情况。1554 nm波长激光输出功率峰值波动为0.012 mW，1562 nm波长激光输出功率峰值波动为0.018 mW，双波长峰值功率差的平均值¯ΔP≈0.011 mW。图 9b是在图 9a的基础上加入SAFLM滤波环后的双峰波动情况。其中1554 nm中心波长的激光输出功率峰值在100 min时间内的波动为0.0048 mW，而1562 nm中心波长的激光输出功率峰值在100 min时间内的波动为0.0087 mW，经过分析计算得到双波长峰值功率之差的平均值¯ΔP≈0.0025 mW。经过对比，加入SAFLM滤波环后稳定性有了显著提升，在100 min内以10 min的时间间隔抽样的10次光谱对比，如图 9c所示。两波长的SNR在55 dB附近小幅波动。
4. 结论
提出并分析了基于EDF-SA与3 dB环镜相结合的滤波环构成双波长窄线宽激光器，获得了稳定的双波长激光输出，并且结构简单, SNR达到55 dB，可以用于大容量通信、光纤分布式传感和光学多普勒无创血流测量[22]等。通过对激光输出特性的研究可知，加入SAFLM后, 线宽较仅由耦合器直接加入EDF-SA的线宽进一步压窄34.5%，表明SAFLM具有更加优异的线宽压窄特性，与直接型EDF-SA结构同时使用时，输出的激光线宽进一步被压窄，并且比无SAFLM情况下稳定性提高30%。后续实验可以增加光栅个数以实现多波长激光输出。
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图 6 仿真结果图
a—由OC直接加入EDF-SA的长度对SNR的影响 b—SALMF中EDF-SA长度对SNR及线宽的影响
Figure 6. Simulation results
a—influence of EDF-SA length directly added by OC on SNR b—influence of EDF-SA length on SNR and line width in SALMF
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图 8 不同实验结构输出光谱对比图
Figure 8. Comparison of the output spectra of different experimental structures
表 1 各组实验的SNR与线宽数据
Table 1 SNR and linewidth data of each group
without auxiliary cavity
(control group 1)with EDF-SA loop
(control group 2)with SALFM
(control group 3)with SALFM and EDF-SA loop
(experimental group)1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm 1554 nm 1562 nm SNR/dB 60 60 62 61 57 58 55 55 line width/nm 0.141 0.142 0.58 0.58 0.38 0.43 0.29 0.38 
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